馮寶君
(葫蘆島市綏中縣水利建筑工程公司,遼寧 葫蘆島 125200)
由于受到凍融破壞作用北方寒區(qū)水工構(gòu)筑物難以維持長效運行,研究混凝土抗凍耐久性及其凍融破壞機理,并提出行之有效的混凝土性能改善措施顯得非常重要。目前,學術界對混凝土凍融破壞普遍認可的是滲透壓和靜水壓兩種理論,但實踐表明混凝土漿體與凍融作用密切相關[1-3]。在混凝土中摻入輕質(zhì)顆?;騼?nèi)部多孔隙的固體摻加劑,能夠有效緩解凍融破壞時混凝土的凍脹應力,將輕質(zhì)顆粒摻入干硬性混凝土能夠發(fā)揮緩解凍脹應力的作用,這也是一種改善低塑性混凝土抗凍性的重要途徑。
為改善北方寒區(qū)水工混凝土抗凍性,文章選用橡膠粉、EPS顆粒(可發(fā)性聚苯乙烯)和陶砂3種輕質(zhì)材料,其中橡膠粉和EPS顆粒屬彈性固體材料,陶砂屬輕質(zhì)骨料,深入探討了不同輕質(zhì)顆粒及其摻量對砂漿抗凍性的影響,旨在為北方寒區(qū)水工混凝土方案設計提供一定參考。
試驗所用材料有水、水泥、粉煤灰、橡膠粉、普通中砂、陶砂、EPS顆粒,其中水泥為P·O 42.5“海螺牌”硅酸鹽水泥;粉煤灰為Ⅱ級;普通中砂的細度模數(shù)2.4,普通中砂顆粒級配,見表1。試驗所用陶砂1h吸水率6.5%,表觀密度1780kg/m3,細度模數(shù)1.6,級數(shù)為700,陶砂級配,見表2。EPS顆粒吸水率1.5%,表觀密度20.5kg/m3。
表1 普通中砂顆粒級配
表2 陶砂級配
在低塑性砂漿中摻入不同類型的輕質(zhì)顆粒,并利用快速凍融法測試砂漿抗凍性,其中EPS顆粒和陶砂設計摻量為2%、4%、6%,橡膠粉設計摻量為1%、2%。低塑性砂漿試件質(zhì)量按每凍融循環(huán)5次測試一次,以質(zhì)量損失達到5%作為凍融循環(huán)終止條件。凍融循環(huán)后取出試件,依次測試抗壓強度,探討不同凍融循環(huán)下低塑性砂漿的抗壓強度和質(zhì)量損失狀況。
試驗設計低塑性砂漿試件尺寸70mm×70mm×70mm,砂漿含氣量利用水泥砂漿含氣筒測試,成型后利用承壓板和壓重塊碾壓,按表面壓強4.8kPa設計試件成型總質(zhì)量,將粗骨料剔除測試凝膠砂礫石低塑性砂漿抗凍性[4]。試驗過程中標準養(yǎng)護各組試件,為保證試件處于飽水狀態(tài),待養(yǎng)護至規(guī)定齡期的前3d取水浸入水中,利用CDR-5快速凍融試驗機測試試件的抗凍性,完成凍融試驗后再測試各組試件的抗壓強度[5]。
隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加,不同陶砂摻量的低塑性砂漿抗壓強度及質(zhì)量損失情況,凍融作用下?lián)教丈吧皾{試件性能變化,見圖1。由圖1(a)可知,凍融循環(huán)≤10次時不同陶砂摻量的砂漿試件質(zhì)量損失均在1%以內(nèi),凍融循環(huán)達到15次后各組試件出現(xiàn)明顯的質(zhì)量損失,當凍融循環(huán)達到20次時試件質(zhì)量損失>5%,即發(fā)生嚴重的破壞。由圖1(b)可知,凍融循環(huán)達到20次情況下,低塑性砂漿強度損失隨陶砂摻量的增加而減小,基準砂漿和摻2%、4%、6%陶砂砂漿的抗壓強度損失分別為51.8%、45.2%、38.4%、25.1%??傮w而言,將陶砂摻入低塑性砂漿中能夠明顯改善其抗凍性能,并且抗凍性隨陶砂摻量的增加而增強。
(a)質(zhì)量損失 (b)強度損失圖1 凍融作用下?lián)教丈吧皾{試件性能變化
隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加,不同EPS顆粒摻量的低塑性砂漿抗壓強度及質(zhì)量損失情況,凍融作用下?lián)紼PS顆粒砂漿試件性能變化,見圖2。由圖2(a)可知,摻EPS顆粒的砂漿凍融破壞與摻陶砂相似,凍融循環(huán)≤10次時不同EPS顆粒摻量的砂漿試件質(zhì)量損失均在1%以內(nèi),凍融循環(huán)達到15次后各試件出現(xiàn)明顯的質(zhì)量損失,當凍融循環(huán)達到20次時試件質(zhì)量損失>5%,即發(fā)生嚴重的破壞。在凍融次數(shù)相同的條件下,摻6%EPS顆粒的砂漿試件質(zhì)量損失略高于基準組。由圖2(b)可知,凍融循環(huán)達到20次情況下,摻EPS顆粒的低塑性砂漿強度損失略低于基準組,并且低塑性砂漿摻不同EPS摻量時其強度損失相差不大,但低塑性砂漿摻6%EPS顆粒的強度損失高于摻4%的強度損失。總體而言,將適量EPS顆粒摻入低塑性砂漿中能夠在一定程度上改善其抗凍性能[6],并且EPS顆粒摻量一般≤4%。
(a)質(zhì)量損失 (b)強度損失圖2 凍融作用下?lián)紼PS顆粒砂漿試件性能變化
本試驗以40、60、80、100目4種粒徑的橡膠粉作為輕質(zhì)材料,按1%、2%摻量將個粒徑材料加入低塑性砂漿試件中,測試不同凍融循環(huán)下各組砂漿試件的抗壓強度及質(zhì)量損失,凍融作用下?lián)较鹉z粉砂漿試件性能變化,見圖3。由圖3(a)可知,摻橡膠粉的砂漿凍融破壞與摻陶砂、EPS顆粒相似,凍融循環(huán)≤10次時不同橡膠粉摻量的砂漿試件質(zhì)量損失均在1%以內(nèi),凍融循環(huán)達到15次后各試件出現(xiàn)明顯的質(zhì)量損失,當凍融循環(huán)達到20次時試件質(zhì)量損失>5%,即發(fā)生嚴重的破壞。由圖3(b)可知,凍融循環(huán)達到20次情況下,摻橡膠粉的低塑性砂漿強度損失明顯低于基準組,并且摻量越高試件的強度損失越?。辉谙嗤瑩搅織l件下,各組試件的砂漿強度損失程度相差不大,并且橡膠粉粒徑越大則砂漿強度損失也越大??傮w而言,將適量橡膠粉摻入低塑性砂漿中能夠明顯改善其抗凍性,橡膠粉摻量越大、粒徑越小其改善砂漿抗凍性的效果就越好[7]。
(c)質(zhì)量損失 (b)強度損失圖3 凍融作用下?lián)较鹉z粉砂漿試件性能變化
在低塑性砂漿中摻入橡膠粉、EPS顆粒和陶砂,由于內(nèi)部大孔隙較多直接用DSX軟件分析會引起誤差的增大,因此孔隙分析時選用普通砂漿。對摻不同輕質(zhì)顆粒的普通砂漿利用DSX軟件分析其孔隙率,結(jié)果顯示摻橡膠粉、EPS顆粒和陶砂的砂漿內(nèi)孔隙率依次為9.12%、9.57%、7.34%,這與基準組的8.81%相差并不明顯,研究表明將輕質(zhì)顆粒摻入普通砂漿中其改善砂漿孔隙結(jié)構(gòu)的作用不大[8-9]。
未摻輕質(zhì)顆粒的低塑性砂漿膠砂比為1:4.6,橡膠粉、EPS顆粒和陶砂的摻入明顯提高了低塑性砂漿的含氣量,并且摻量越高含氣量越高[10]。將輕質(zhì)顆粒摻入低塑性砂漿中能夠在一定程度上改善其抗凍性,具體而言:在砂漿攪拌過程中陶砂內(nèi)部的大量小孔能夠吸收水分,在水化過程中孔隙內(nèi)的水分可遷移至水泥石中,從而發(fā)揮一定的養(yǎng)護作用,且內(nèi)部孔隙處于不飽和狀態(tài),砂漿受凍時陶砂中的孔隙能夠在很大程度上緩解砂漿的凍脹破壞;EPS顆粒具有吸水率小、表面光滑、內(nèi)部多孔隙等特征[11],水分無法通過孔隙滲入內(nèi)部,受凍時能夠抵消砂漿的凍融應力;橡膠粉具有一定的彈塑性且內(nèi)部密實,受凍融破壞時橡膠粉能夠抵抗砂漿受到的凍脹應力[12-18]。
文章探討了橡膠粉、EPS顆粒(可發(fā)性聚苯乙烯)和陶砂3種輕質(zhì)材料改善低塑性砂漿的抗凍性能,并在此基礎上探討了其作用機理,主要結(jié)論為:
1)由于膠砂比較低低塑性砂漿的抗壓強度明顯低于普通砂漿,將輕質(zhì)顆粒摻入低塑性混凝土中,在一定程度上降低了砂漿抗壓強度,并且砂漿抗壓強度損失隨輕質(zhì)顆粒摻量的增加而增大,其中砂漿強度受陶砂的影響最低。
2)采用輕質(zhì)顆粒改善普通砂漿和低塑性砂漿的抗凍性時,EPS顆粒摻量一般≤4%,其中橡膠粉對砂漿抗凍性的改善效果由于EPS顆粒和陶砂,并且橡膠粉摻量越高、粒徑越小則抗凍性改善效果越明顯。